CA2278408C

CA2278408C - Procedure and device for measuring the flow rate of a liquid stream

Info

Publication number: CA2278408C
Application number: CA002278408A
Authority: CA
Inventors: Claude Beauducel; Thierry Lepage
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2008-09-02
Anticipated expiration: 2019-07-21
Also published as: DE19934212A1; GB2339907A; JP4520552B2; DE19934212B4; GB2339907B; JP2000046854A; FR2781565B1; US6546810B1; CA2278408A1; FR2781565A1; GB9917420D0

Abstract

Procédé et dispositif pour mesurer la vitesse d'écoulement d'une veine fluide par la mesure de la différence des temps de vol respectifs d'impulsions acoustiques émises au moyen d'un générateur respectivement entre deux points espacés le long de la veine fluide, selon qu'elles se propagent vers l'amont ou vers l'aval relativement au sens de l'écoulement, différence qui est indicative de la vitesse de déplacement de la veine fluide. - La mesure de cette différence de temps de vol comporte l'utilisation d'un ensemble d'acquisition couplé à un ensemble de traitement permettant une détermination du spectre de fréquence de chaque impulsion et une mesure du déphasage affectant une partie au moins du spectre de fréquence de chaque impulsion, résultant de son temps de vol. La mesure de la vitesse d'écoulement de la veine fluide et de son débit qui en découle est très précise. - Applications dans les industries chimiques, en chromatographie, etc.A method and a device for measuring the flow velocity of a fluid stream by measuring the difference in the respective flight times of acoustic pulses emitted by means of a generator respectively between two spaced points along the fluid stream, according to they propagate upstream or downstream relative to the direction of flow, a difference which is indicative of the speed of displacement of the fluid vein. The measurement of this difference in flight time comprises the use of an acquisition set coupled to a processing set allowing a determination of the frequency spectrum of each pulse and a measurement of the phase shift affecting at least part of the spectrum of frequency of each pulse, resulting from its flight time. The measurement of the flow velocity of the fluid vein and its resulting flow is very accurate. - Applications in the chemical industries, chromatography, etc.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR MESURER LA VITESSE D'ECOULEMENT
D'UNE VEINE FLUIDE
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour mesurer la vitesse et le débit d'une veine fluide.

La détermination précise de la vitesse de circulation de fluides dans des conduits ainsi que les débits correspondants, est importante dans de très nombreux domaines, notamment dans les installations chimiques, en chromatographie, etc.

Un procédé connu pour déterminer la vitesse et le débit d'un courant fluide circulant dans un conduit est décrit par exemple dans les brevets WO 93/14382 ou US
4,308,754. Il consiste essentiellement à mesurer la différence entre les temps de parcours respectifs d'impulsions acoustiques entre des transducteurs émetteurs et récepteurs disposés le long d'un conduit d'acheminement de fluide, à distance connue les uns des autres, selon que les ondes se propagent vers l'amont ou vers l'aval relativement au sens du courant.

Le schéma de principe de la Fig.1 montre deux transducteurs émetteurs-récepteurs de type piézo-électrique par exemple, disposés de part et d'autre d'un conduit où un fluide circule avec une vitesse v, dans deux plans transversaux de celui-ci distants l'un de l'autre.
Ils émettent simultanément l'un en direction de l'autre (en biais ) des impulsions ultra-sonores de fréquence fo (fréquence d'accord des transducteurs) et de durée to très inférieure au temps de vol des ondes entre les deux transducteurs. On mesure les temps tAB et tBA
d'arrivée du signal et on en déduit les temps de transit acoustique (ou temps de vol) tvl (dans le sens de l'écoulement) et tv2 (dans le sens contraire de l'écoulement) en leur soustrayant les différents temps de retard parasites obtenus par étalonnage.

Les durées de propagation tvl et tvZ s'écrivent respectivement que :
L L
tv1 _ C+Vcosa et tvz _ C-Vcoscc On en déduit facilement que :

L. Ot V= METHOD AND DEVICE FOR MEASURING FLOW SPEED
A FLUID VEIN
The present invention relates to a method and a device for measuring the speed and the flow of a fluid vein.

The precise determination of the flow velocity of fluids in ducts as well as the corresponding flows, is important in very many areas, especially in chemical installations, in chromatography, etc.

A known method for determining the velocity and flow rate of a fluid stream flowing in a conduit is described for example in the patent WO 93/14382 or US
4308754. he essentially consists of measuring the difference between travel times respective of acoustic pulses between transmitter and receiver transducers arranged along a fluid delivery conduit, at a known distance from each other, depending on whether waves propagate upstream or downstream relative to the direction of current.

The schematic diagram of FIG. 1 shows two transducers emitting receptors piezoelectric type for example, arranged on either side of a conduit where a fluid circulates with a speed v, in two transverse planes of it distant one of the other.
They emit simultaneously towards each other (at an angle) ultra-pulses sound frequency fo (frequency tuning transducers) and duration to very lower the time of flight of the waves between the two transducers. We measure the times tAB and tBA
the arrival of the signal and we deduce the acoustic transit time (or time flight) tvl (in the direction of flow) and tv2 (in the opposite direction of the flow) in their subtracting the different parasitic delay times obtained by calibration.

The propagation times tvl and tvZ are respectively written as:
LL
tv1 _ C + Vcosa and tvz _ C-Vcoscc It is easy to deduce that:

L. Ot V =

2.tv,.tv2.cosa où Ot=tv2-tvt Le débit s'exprime alors par Qv = v.S, si S représente la section transversale de la veine.

Dans un exemple pratique où les transducteurs sont distants de quelques 10 cm et la célérité des ondes dans le fluide est de 1500 m/s, le temps de vol est de quelques 60 s. On constate sur un tel exemple pratique que si la précision recherchée est de l'ordre de 10-3 dans la mesure de la vitesse du courant, on doit être capable de mesurer des écarts de temps de l'ordre de quelques ns. Cest très difficile à réaliser si l'on procède par mesure directe des temps de propagation avec détection des instants où l'énergie reçue dépasse un certain seuil, car la précision est généralement insuffisante et suppose que l'on fasse de lo nombreuses moyennes.

Le procédé selon l'invention permet notamment de remédier à cet inconvénient et d'obtenir à un coût comparativement beaucoup plus faible qu'avec la solution précédente, une très grande précision dans la mesure de la vitesse de déplacement d'une veine fluide et par voie de conséquence, du débit de cette veine.

Le procédé permet de déterminer la vitesse d'écoulement d'une veine fluide par comparaison des temps de vol respectifs d'impulsions acoustiques émises et reçues respectivement entre des points espacés le long de la veine fluide, selon qu'elles se propagent vers l'amont ou vers l'aval relativement au sens de l'écoulement. Il est caractérisé
en ce que l'on mesure la moyenne des temps de vol ainsi que l'écart entre les temps de vol par une détermination du spectre de fréquence associé chaque impulsion reçue et une mesure précise des déphasages relatifs affectant les spectres de fréquence des impulsions acoustiques reçues, résultant de leur temps de vol.

Suivant un mode avantageux de mise en oeuvre (convenant pour les fluides relativement peu absorbants) on émet en chaque point une première impulsion acoustique, on détecte successivement en ce même point, une deuxième impulsion acoustique émise depuis un autre point et un écho à cet autre point, de la première impulsion acoustique, on calcule les spectres de fréquence des différentes impulsions détectées et l'on détermine la moyenne des temps de vol des impulsions acoustique détectées ainsi que les écarts entre leurs temps de vol respectifs. 2.tv, .tv2.cosa where Ot = tv2-tvt The flow is then expressed by Qv = vS, if S represents the cross section of the vein.

In a practical example where the transducers are separated by some 10 cm and the velocity of the waves in the fluid is 1500 m / s, the flight time is some 60s. We notes on such a practical example that if the precision sought is the order of 10-3 in the measurement of the speed of the current, one must be able to measure time differences of the order of a few ns. It is very difficult to achieve if one proceeds by direct measurement of propagation time with detection of the moments when the energy received exceeds a certain threshold, because precision is usually insufficient and supposes that one do the many averages.

The method according to the invention makes it possible to remedy this drawback and to obtain at a comparatively much lower cost than with the solution previous, very high accuracy in measuring the speed of movement of a fluid vein and consequently, the flow of this vein.

The method makes it possible to determine the flow velocity of a fluid vein by comparing the respective flight times of transmitted acoustic pulses and received respectively between spaced points along the fluid vein, according to that they propagate upstream or downstream relative to the direction of flow. he is characterized in that the average flight time is measured as well as the difference between the flight time by determining the frequency spectrum associated with each pulse received and an accurate measurement of the relative phase shifts affecting the frequency spectra of the pulses acoustics received, resulting from their flight time.

According to an advantageous mode of implementation (suitable for fluids relatively absorbent) a first pulse is emitted at each point acoustic, a second acoustic pulse is detected successively at this point issued from another point and an echo to this other point, from the first impulse acoustic, we calculates the frequency spectra of the different pulses detected and determines the average of the flight times of the detected acoustic pulses as well as the differences between their respective flight times.

3 De préférence, suivant un autre mode de mise en oeuvre, on détermine la moyenne des temps de vol à partir de spectres de référence constitués par étalonnage à partir des spectres d'impulsions acoustiques reçues.
De préférence, suivant un autre mode de mise en oeuvre, on détermine l'écart entre leurs temps de vol respectifs des impulsions acoustiques reçues à
partir de leurs spectres de fréquence et d'un écart de temps obtenu par étalonnage.

Suivant un mode préféré de mise en oyuvre, le procédé comporte la transmission d'impulsions acoustiques simultanément depuis un premier point le long d'une veine fluide en direction d'un deuxième point en aval du premier point et réciproquement depuis le deuxième point en direction du premier point et l'on détecte les impulsions r-eçues aux deux points dans des fenêtres de réception fixes décalées d'un même intervalle de temps par rapport aux instants communs d'émission de ces impulsions, le déphasage mesuré pour chaque spectre de fréquence dépendant de la position de l'impulsion correspondante reçue à
l'intérieur de la fenêtre de réception correspondante.

Pour lever toute ambiguïté sur la valeur des déphasages, on détermine de préférence la pente de la droite représentative de la variation de la phase en fonction du temps de vol sur une portion détei-minée du spectre de fréquence des impulsions_ Un dispositif permettant une mise en oeuvre de la méthode comporte par exemple au moins deux transducteurs émetteurs-récepteurs disposés à des emplacements distincts le long d'une veine fluide, un générateur de signaux impulsionnels connecté aux transducteurs, un ensemble d'acquisition des signaux adapté à échantillonner et numériser les signaux reçus par les transducteurs durant une fenêtre d'acquisition fixe et un ensemble de traitement pour déterminer les retards de phase affectant une portion au moins du spectre de fréquence de chacune des impulsions reçues, consécutifs au temps de vol variable des impulsions acoustiques émises.

L'ensemble de traitement comporte par exemple un processeur de signal programmé
pour déterminer le specti-e de fi-équence FFT de chaque signal à par-tir d'une série d'échantillons acquis à l'intérieur de la dite fenêtre. 3 Preferably, according to another embodiment, it is determined the average flight time from reference spectra consisting of calibration from the acoustic pulse spectra received.
Preferably, according to another embodiment, it is determined the difference between their respective flight times of the acoustic pulses received at from their frequency spectra and a time difference obtained by calibration.

According to a preferred mode of implementation, the method comprises the transmission of acoustic pulses simultaneously from a first point along a fluid vein towards a second point downstream of the first point and vice versa since second point in the direction of the first point and the pulses r-received at two points in stationary reception windows offset by the same interval of time compared to the common moments of emission of these pulses, the phase shift measured for each frequency spectrum depends on the position of the pulse correspondent received inside the corresponding reception window.

To remove any ambiguity about the value of phase shifts, we determine preference the slope of the line representative of the variation of the phase in function flight time on a dete-mined portion of the frequency spectrum of the pulses_ A device for implementing the method for example comprises, for example at least two transceiver transducers arranged at locations separate the along a fluid vein, a pulse signal generator connected to the transducers, a signal acquisition set adapted to sample and digitize the signals received by the transducers during a fixed acquisition window and a set to determine the phase delays affecting a portion of the less than frequency spectrum of each of the pulses received, consecutive to the time of flight variable acoustic pulses emitted.

The processing unit comprises for example a signal processor program to determine the FFT fi -equency specti-e of each signal from a series samples acquired inside said window.

4 Le procédé selon l'invention conduit à une très grande précision dans la mesure du temps de vol des ondes au travers du fluide enmouvement. Elle permet de traduire avec un effet d'amplification très important des intervalles de temps très courts difficilement mesurables avec précision dans des conditions économiques acceptables en variations de phase importantes. Des simulations ont montré que l'on peut obtenir des précisions meilleures que 1%o sur la mesure de la vitesse.

D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés où :

1o - la Fig. 1 est un schéma de pour illustrer le principe de mesure ;

- la Fig.2 montre un exemple de variation de l'amplitude A d'une impulsion acoustique reçue en fonction du temps ;

- la Fig.3 montre un exemple de variation du module complexe G(k) du spectre de fréquence d'une impulsion reçue en fonction de l'indice k d'échantillonnage ;

- la Fig.4a, 4b montrent respectivement la variation du module G(k) du spectre de fréquence au voisinage d'un maximum spectral IM et la variation correspondante de la phase ;

- les Fig.5a, 5b montrent respectivement la variation du module G(k) du spectre de fréquence au voisinage d'un maximum spectral IM et la différence de phase relative obtenue après rétablissement de la continuité de la variation ;

- la Fig.6 montre la variation monotone de la phase relative sur 9 échantillons autour de l'indice d'échantillonnage correspondant à un maximum spectral ;

- la Fig.7 illustre le principe de calcul d'un coefficient de calage ;

- la Fig.8 illustre le principe de la méthode de mesure associant la mesure des arrivées directes des impulsions après propagation et des arrivées en retour de leurs échos ; et - la Fig.9 montre un mode d'agencement du dispositif de mise en oeuvre du procédé avec deux transducteurs émetteurs-récepteurs d'impulsions acoustiques espacés le long d'une veine fluide.

Description du procédé 4 The method according to the invention leads to a very high precision in the measurement of time of flight of the waves through the fluid in motion. She allows to translate with a very important amplification effect of very short time intervals with difficulty accurately measurable under acceptable economic conditions in variations of important phase. Simulations have shown that one can obtain details better than 1% o on speed measurement.

Other features and advantages of the method and device according to the invention, will appear on reading the following description of an example not limiting embodiment, with reference to the accompanying drawings in which:

1o - FIG. 1 is a diagram of to illustrate the measurement principle;

FIG. 2 shows an example of variation of the amplitude A of an impulse acoustic received as a function of time;

FIG. 3 shows an example of variation of the complex modulus G (k) of the spectrum of frequency of a received pulse as a function of the sampling index k;

4a, 4b respectively show the variation of the spectrum module G (k) of frequency in the vicinity of a spectral maximum IM and the corresponding variation of the phase;

FIGS. 5a and 5b respectively show the variation of the module G (k) of spectrum of frequency in the vicinity of a spectral maximum IM and the phase difference on obtained after restoration of the continuity of the variation;

FIG. 6 shows the monotonic variation of the relative phase on 9 samples around the sampling index corresponding to a spectral maximum;

FIG. 7 illustrates the principle of calculating a calibration coefficient;

FIG. 8 illustrates the principle of the measurement method associating the measurement Arrivals direct impulses after spreading and arriving back from their echoes; and FIG. 9 shows a mode of arrangement of the device for implementing the process with two acoustic pulse transceiver transducers spaced on along a fluid vein.

Process description

5 Le procédé peut être mis en oeuvre par exemple en disposant en deux points A, B
(Fig. 1) deux transducteurs émetteurs-récepteurs d'ondes ultrasonores Pl, P2 respectivement dans deux sections transversales distinctes d'un conduit où circule une veine fluide avec une vitesse V, disposées de façon que chacune puisse recevoir les ondes émises depuis l'autre transducteur. Ils émettent simultanément l'un en direction de l'autre (en biais par 1o exemple) des impulsions ultrasonores de fréquence fo (fréquence d'accord des transducteurs) et de durée to très inférieure au temps de transit acoustique (ou temps de vol) tv des ondes entre les deux transducteurs. On mesure les temps tAB et tBA
d'arrivée du signal (Fig.2) et on en déduit les temps de vol tvi (dans le sens de l'écoulement) et tvZ (dans le sens contraire de l'écoulement) en leur soustrayant les différents temps de retard parasites obtenus par étalonnage.

Les durées de propagation s'écrivent respectivement :
L L
tv, = C+Vcosa et tv2 = C-Vcosa Ot. L
On en déduit facilement que : V=
- 2.tv,.tv,.cosa où Ot = tv2 - tv, .

Les mesures de tvi et tv2 doivent êtres très précises. En particulier la valeur de At =
(tvl - tv2) doit être connue avec une précision supérieure à celle désirée pour le dispositif.
Dans les temps mesurés sont inclus les temps de réponse des éléments piézo-électriques à
l'émission et à la réception pour traduire les signaux électriques en ondes et réciproquement. Ces temps de réponse ne sont pas connus à priori et peuvent êtres différents d'un appareil à l'autre à cause des dispersions de fabrication. Par contre, on peut les considérer comme sensiblement constants au cours du temps. La méthode comporte la mesure précise d'intervalles de temps par le biais de la mesure de déphasages existant entre The method can be implemented for example by providing two points A, B
(Fig. 1) two ultrasonic wave transceiver transducers Pl, P2 respectively in two distinct transverse sections of a duct where a vein circulates fluid with a speed V, arranged so that each can receive the waves emitted since the other transducer. They emit simultaneously towards each other (by way of 1o example) ultrasonic pulses of frequency fo (tuning frequency of the transducers) and of duration to much less than the acoustic transit time (or flight time) tv waves between the two transducers. The tAB and tBA times are measured signal arrival (Fig.2) and we deduce the flight times tvi (in the direction of the flow) and tvZ (in the opposite direction of the flow) by subtracting the different times of parasitic delay obtained by calibration.

The propagation times are written respectively:
LL
tv, = C + Vcosa and tv2 = C-Vcosa Ot. The It is easy to deduce that: V =
- 2.tv, .tv, .cosa where Ot = tv2 - tv,.

The measures of tv and tv2 must be very precise. In particular, value of At =
(tvl - tv2) must be known with greater precision than desired for the device.
In the measured times are included the response times of the piezo elements.
electric transmission and reception to translate electrical signals into waves and reciprocally. These response times are not known a priori and can beings different from one device to another because of manufacturing dispersions. By against, we can consider them as substantially constant over time. The method has the accurate measurement of time intervals by measuring phase shifts existing between

6 les signaux résultant de leur propagation dont on rappelle ci-dessous le principe connu en soi.

On considère deux signaux Si, S2 émis simultanément depuis deux transducteurs tels que A, B durant une fenêtre d'émission plus courte bien sûr que leurs temps de vol. Ils sont reçus respectivement aux transducteurs opposés dans une même fenêtre d'acquisition ouvrant à un même instant to et échantillonnés avec la fréquence d'échantillonnage Fe. On acquiert N échantillons (N est égal par exemple à 2048) de chacun de ces trois signaux. Par FFT, on détermine leur spectres de fréquence complexes G1(k), G2(k), k étant un indice d'échantillonnage variant de 0 à N -1 (N = nombre de points de la FFT).

Si Gl(f) et G2(f) sont les transformées de Fourier des deux signaux, les transformées discrètes correspondantes s'obtiennent en remplaçant f par la suite d'entiers k avec la correspondance fk = N, Fe étant la fréquence d'échantillonnage, ( N=
pas en fréquence ou Of ). Ces fonctions complexes de k peuvent être représentés soit par G(k) = p(k)(cos 0(k) + jsin0(k)), soit par G(k) = p(k)e'B(k) (p = module, 0=
phase).

Par application du théorème du retard, on peut écrire que la transformée de Fourier de S2 est : G2 ( f)= aGl ( f)e-znif (''-'') (a représentant l'affaiblissement de l'onde entre les deux récepteurs).

Dans le cas d'une transformée discrète, si on remplace f par la suite k telle que kFe fk = N , on obtient : kF, Z"i Gz (k) = aG, (k)e N <<' 1 ~ (2) Si l'on représente maintenant G2(k) et GI(k) par p2 (k)e'B'(k) et pl (k)eje,(k) ~
l'équation (2) s'écrit:

P2(k)e'B,ck> = ap~(k)eice,ck>-2~ N cr,-t,n (3) équation qui s'écrit encore en prenant le logarithme népérien 6 the signals resulting from their propagation, which is recalled below.
known principle in itself.

Two Si, S2 signals transmitted simultaneously from two transducers are considered such as A, B during a shorter emission window of course than their flight time. They are received respectively to the opposite transducers in the same window acquisition opening at the same time to and sampled with frequency Sample Fe. On acquires N samples (N equals for example 2048) of each of these three signals. By FFT, we determine their complex frequency spectra G1 (k), G2 (k), k being a clue Sampling range from 0 to N -1 (N = number of FFT points).

If Gl (f) and G2 (f) are the Fourier transforms of the two signals, the Corresponding discrete transforms are obtained by replacing f with the following of integers k with the correspondence fk = N, where Fe is the sampling frequency, (N =
not in frequency or Of). These complex functions of k can be represented either by G (k) = p (k) (cos 0 (k) + jsin0 (k)), or by G (k) = p (k) eB (k) (p = module, 0 =
phase).

By applying the delay theorem, we can write that the transform of Fourier of S2 is: G2 (f) = aG1 (f) e-znif ('' - '') (a representing the attenuation of the wave between two receivers).

In the case of a discrete transform, if we replace f subsequently k such than KFE
fk = N, we get: kF, Z "i Gz (k) = aG, (k) e N << 1 ~ (2) If we now represent G2 (k) and GI (k) by p2 (k) eB '(k) and pl (k) eje, (k) ~
equation (2) is written:

P2 (k) eB, ck> = ap ~ (k) eice, ck> -2 ~ N cr, -t, n (3) equation that is written again taking the natural logarithm

7 ln(p2 (k)) + j92 (k) = ln(ap, (k)) + j0(k) - 27r N(tZ - t1) ce qui donne directement :

Ot = (t2 - tl) = - 2 Fe (e2 (k) - e1 (k)) (4) La fonction dite de différence théorique entre les phases 9d(k) = 02(k) -01(k) est une droite passant par l'origine pour k = 0 puisque Ot =(t2 - tl) est indépendant de k à condition de rester autour d'une portion assez étroite (de 150 kHz par exemple) du spectre centré
autour de la fréquence d'émission. La valeur absolue de la phase ne dépasse pas n radians et le module diminue assez rapidement de part et d'autre du maximum avec une augmentation corrélative du bruit de phase. Il faut donc lever l'ambiguité sur la valeur de la phase.

Méthode pour lever l'ambiguïté sur la différence des phases Sur le spectre G1 par exemple (Fig.3), on détermine le maximum du module, ce qui donne un indice k(Im). On prend (par exemple) 4 points autour de Im sur les 2 spectres Gl et G2 et on restaure la monotonicité de la variation de phase sur ces 9 points. Cette opération consiste à remplacer tous les sauts de phase de valeur absolue supérieur àn par leur complément à 2 7t (Fig.5b). Ensuite, on soustrait point par point les valeurs de phases obtenues pour A et B.

On obtient ainsi la différence de phase relative (car seulement connue à 2n7c près) soit 9ra(k) = 01(k) - 02(k) dont la courbe de variation est seulement proche d'une droite contrairement à la courbe de différence de phase théorique (Fig.6).

Par définition, la phase estimée est une droite : 8ea(k) = a' x k. Pour déterminer la pente 6 de cette droite, on peut utiliser plusieurs méthodes : calculer une droite de régression passant aux moindres carrés par les points sélectionnés, faire la moyenne des pentes mesurées entre deux points consécutifs, etc.

L'écart entre la différence phase estimée 9ea(k) et celle relative 8ra(k) devrait donc être de 2n7t (n entier désignant un coefficient de calage) comme illustré par la Fig.7). Pour 7 ln (p2 (k)) + j92 (k) = ln (ap, (k)) + j0 (k) - 27r N (tZ - t1) which gives directly:

Ot = (t2 - tl) = - 2 Fe (e2 (k) - e1 (k)) (4) The so-called theoretical difference function between the phases 9d (k) = 02 (k) -01 (k) is a right passing through the origin for k = 0 since Ot = (t2 - tl) is independent of k provided to stay around a fairly narrow portion (150 kHz for example) of the centered spectrum around the transmission frequency. The absolute value of the phase does not exceed not n radians and the module decreases rather quickly on both sides of the maximum with a increase correlative phase noise. We must therefore remove the ambiguity on the value of the sentence.

Method to remove ambiguity on the difference of phases On the spectrum G1 for example (FIG. 3), the maximum of the module is determined, this who gives an index k (Im). We take (for example) 4 points around Im on the 2 spectrums Gl and G2 and we restore the monotonicity of the phase variation on these 9 points. This operation is to replace all phase jumps of absolute value greater than their complement at 27t (Fig.5b). Then, subtract point by point phase values obtained for A and B.

This gives the relative phase difference (because only known at 2n7c near) let 9ra (k) = 01 (k) - 02 (k) whose variation curve is only close from a straight unlike the theoretical phase difference curve (Fig.6).

By definition, the estimated phase is a straight line: 8ea (k) = a 'x k. For determine the slope 6 of this line, we can use several methods: calculate a right of least squares regression by the selected points, average of slopes measured between two consecutive points, etc.

The difference between the estimated phase difference 9ea (k) and the relative difference 8ra (k) should therefore be 2n7t (n integer denoting a calibration coefficient) as illustrated by Fig.7). For

8 calculer ti, il suffit d'avoir la phase en un point, celui par exemple qui correspond au maximum du module du spectre, soit Im.

Les résultats des mesures montrent que la précision de la différence de phase relative soit 9ra(Im) est meilleure que celle de la différence de phase estimée soit 8ea(Im) = 6 x Im. On choisit donc la différence de phase absolue (ou reconstituée) :

6a(1m) = 6ra(Im) + 2n7z (5) avec n = E.~6eo(I,,,) -6rro(I,n) + 0.5) 1 2~ (6) (E* désignant la partie entière) On peut noter que pour que cette reconstitution se fasse sans erreur, if faut et il suffit que jBea(Im) - 9ra(Im)-2nni < 7t (7) Le temps T est donc obtenu par la formule : z= 6o(Im) (8) 27r ImFe Méthode de l'écho Cette méthode consiste essentiellement à exploiter le signal correspondant à
l'écho du signal émis par chaque transducteur qui lui revient après réflexion sur le transducteur cible opposé (Fig.8). On a vérifié expérimentalement que pour des fluides peu absorbants, comme l'eau ou les gaz liquéfiés tels que le GPL, les transducteurs piézoélectriques commutés en réception recevaient non seulement le signal en provenance de l'élément opposé mais aussi l'écho de leur propre émission réfléchie sur la surface de l'élément opposé.

Les intervalles de temps mesurés entre les signaux primaires et d'écho ne dépendent alors plus des retards à l'émission (communs aux deux) et on peut procéder comme suit.
On délimite deux fenêtres de mesure Wl, W2 commençant aux instants Tfl et Tf2 par rapport à l'instant d'émission de chaque train d'ondes, de façon à limiter le nombre de points de la FFT et avoir un bon coefficient de calage n (satisfaisant au critère de l'équation (7))= 8 to calculate ti, it suffices to have the phase at a point, for example that which corresponds to maximum of the spectrum module, ie Im.

Measurement results show that the accuracy of the phase difference relative is 9ra (Im) is better than that of the phase difference estimated to be 8ea (Im) = 6 x Im. We therefore choose the absolute (or reconstituted) phase difference:

6a (1m) = 6ra (Im) + 2n7z (5) with n = E. ~ 6eo (I ,,,) -6rro (I, n) + 0.5) 1 2 ~ (6) (E * designating the entire part) It can be noted that for this reconstitution to be done without error, and he suffice that jBea (Im) - 9ra (Im) -2nni <7t (7) The time T is thus obtained by the formula: z = 6o (Im) (8) 27r ImFe Echo method This method essentially consists in exploiting the signal corresponding to echo of the signal emitted by each transducer which returns to it after reflection on the transducer opposite target (Fig.8). It has been experimentally verified that for little fluids absorbents, like water or liquefied gases such as LPG, transducers piezoelectric switched in reception not only received the signal from the element opposite but also the echo of their own reflected emission on the surface of the element opposite.

The time intervals measured between the primary and echo signals are depends then more delays in the issue (common to both) and we can proceed as following.
We define two measuring windows W1, W2 starting at times Tfl and Tf2 compared to the moment of emission of each wave train, so as to limit number of points of the FFT and have a good calibration factor n (satisfying the criterion of the equation (7)) =

9 On mesure les temps TABe et TBAe qui sont, on le rappelle, les décalages de temps entre les signaux de même forme issus des récepteurs A et B, en enregistrant les signaux directs dans la fenêtre W1 soit SA et SB et les signaux d'écho dans la fenêtre W2, soit SeA et SeB (pour la même émission), et on calcule par FFT les quatre spectres complexes FFT soit GA(k), GB(k) , GeA(k) et GeB(k).

Détermination du temps de vol moyen t,.., On applique deux fois la procédure définie ci-dessus - entre GeA(k) et GB(k) ce qui donne un temps TAB = TABe i.e. écart (W 1-W2) _ entre GeB(k) et GA(k) ce qui donne un temps tiBA = TBAe i.e. écart (W2-Wl) Et finalement TABe = tiBA+ (Tf2 - Tfl) et TBAe = TAB + (Tf2 - Tfl) Si l'on désigne par rE_A et rE_B, respectivement les retards de traduction des signaux électriques d'excitation des transducteurs A et B à l'émission en ondes acoustiques eet par rR_A et rR_B les retards correspondants à la réception par les transducteurs A, B, on peut exprimer tes temps mesurés tAB et tBA respectivement par :

TABe = tv1 + rR B- rR A
TBAe = tV2 + rR A- rR B

On voit qu'en effectuant la demi somme, les retards parasites s'annulent et que le temps de vol moyen tvm s'exprime par :

TAee + TeAe _ tv1 + tv = tvm (8) Détermination de At Les valeurs TBA et iAB peuvent permettre de déterminer Ot, à une erreur constante près TBAe - TABe = tv2 + rR_A - rR_B -( tvl + rR_B - rR_A) = Ot + 2 rR_A - 2 rR_B
d'ou Ot = TBAe - TABe - ti o= tiAB- tiBA - tio tio peut être obtenue par étalonnage puisque l'on sait par l'équation (1) que Ot = 0 si la vitesse du fluide est nulle.

(tio =TAB - TBA pour V= 0) Suivant un autre mode de mise en oeuvre, on peut aussi mesurer directement l'écart 5 de temps entre les signaux SA et SB par le biais précédemment décrit d'une mesure de déphasage entre GB(k) et GA(k) ce qui nous donne le temps ti= tBA - tAB :

tBA tAB = tV2 - tVl + rB_B + rR_A - rE_A - rR_B, soit At = ti - (rg_B -1- rR_A - rg_A - rR_B) = ti- ZPO

la valeur tpo étant obtenue par étalonnage comme ci dessus : ipo = i à V 0 9 We measure the times TABe and TBAe which are, it is recalled, the shifts of time signals of the same form from receivers A and B, by recording the signals in the window W1 is SA and SB and the echo signals in the window W2, ie SeA and SeB (for the same emission), and we calculate by FFT the four spectra FFT complexes either GA (k), GB (k), GeA (k) and GeB (k).

Determination of the average flight time t, .., The procedure defined above is applied twice - between GeA (k) and GB (k) which gives a time TAB = TABe ie deviation (W 1 -W2) _ between GeB (k) and GA (k) which gives a time tiBA = TBAe ie deviation (W2-Wl) And finally TABe = tiBA + (Tf2 - Tfl) and TBAe = TAB + (Tf2 - Tfl) If we denote by rE_A and rE_B respectively the translation delays of signals electrical excitation of transducers A and B on the air acoustic eet by rR_A and rR_B the delays corresponding to the reception by the transducers A, B, we can express your measured times tAB and tBA respectively by:

TABe = tv1 + rR B- rR A
TBAe = tV2 + rR AERR B

We see that by performing the half sum, the parasitic delays cancel each other out and that the average flight time tvm is expressed by:

TAee + TeAe _ tv1 + tv = tvm (8) Determination of At The values TBA and iAB can make it possible to determine Ot, to an error constant near TBAe - TABe = tv2 + rR_A - rR_B - (tvl + rR_B - rR_A) = Ot + 2 rR_A - 2 rR_B
where Ot = TBAe - TABe - ti o = tiABTiBA - tio tio can be obtained by calibration since we know from equation (1) that Ot = 0 if the fluid velocity is zero.

(tio = TAB - TBA for V = 0) According to another mode of implementation, it is also possible to measure directly gap 5 hours between the signals SA and SB through previously described a measure of phase shift between GB (k) and GA (k) which gives us the time ti = tBA - tAB:

tBA tAB = tV2 - tVl + rB_B + rR_A - rE_A - rR_B, either At = ti - (rg_B -1- rR_A - rg_A - rR_B) = ti- ZPO

the tpo value being obtained by calibration as above: ipo = i to V 0

10 On peut aussi combiner les deux modes précédents et faire la moyenne des Ot obtenus de ces deux façons afin d'augmenter la précision de la mesure.

Méthode du signal de référence reconstitué

Il est possible que la mesure de la vitesse de fluides très absorbants (émulsions, boues, etc.) ne permette pas d'obtenir d'échos. Dans ce cas, on ne dispose au moment de la mesure que des deux spectres GA(k) et GB(k) correspondant aux signaux SA et SB
mesurés dans la fenêtre W 1, obtenus par FFT.

On peut donc facilement obtenir le At comme indiqué ci-dessus.

Pour déterminer dans ce cas le temps de vol moyen t,,m, il faut disposer de deux signaux de référence de même forme que les signaux reçus mais de retard acoustique nul et donc traduisant les ondes acoustiques telles qu'elles sont émises. Dans la pratique, ce type de signal n'est pas directement accessible. En phase d'étalonnage, on peut détermine le temps de vol moyen t,,m par la méthode de l'écho précédemment décrite en remplissant le système de mesure par un fluide approprié. Il est possible aussi d'utiliser une boucle d'essai possédant une autre mesure de vitesse de la précision requise, Ces exemples ne sont bien 27cj N (fvm-Til) sûr pas limitatifs. On prend le spectre GA(k) et on le multiplie par e On procède 10 We can also combine the two previous modes and average the Ot both ways to increase the accuracy of the measurement.

Restored reference signal method It is possible that the measurement of the velocity of highly absorbent fluids (Emulsions, sludge, etc.) does not produce echoes. In this case, we do not have moment of the as the two spectra GA (k) and GB (k) corresponding to the signals SA and SB
measures in the window W 1, obtained by FFT.

So we can easily get the At as stated above.

To determine in this case the average flight time t ,, m, it is necessary to have two reference signals of the same form as the signals received but of delay acoustic void and hence translating the acoustic waves as they are emitted. In the practical, this guy signal is not directly accessible. In calibration phase, you can determine the average flight time t ,, m by the echo method previously described in filling the measuring system with a suitable fluid. It is also possible to use a test loop having another measure of speed of the required precision, these examples are good 27cj N (fvm-Til) sure not limiting. We take the spectrum GA (k) and multiply it by e On process

11 de même pour le spectre GB(k), on obtient ainsi les spectres GOA(k) GOB(k) ou spectres de référence Pour la mesure proprement dite on applique la procédure du 4.1 entre GA(k) et GOA(k) d'une part et entre GB(k) et GoB(k), ce qui conduit aux valeurs de tiA
et tiB. On en déduit tm ='/2 (TA + TB) + Tfl Comme on ne s'intéresse qu'aux phases des spectres sur un petit nombre de points autour du maximum du module, les spectres de référence peuvent être limités au valeurs de phases sur ces points.

4.4 Calcul de la vitesse Les temps de vol tvi et tv2 s'obtiennent en calculant tvl = tvm +'/2 At et tv2 = tvm -1/2 At et l'on peut appliquer la relation (1) :

L.Ot V=
2.tv,.tv2.cosa ou plus simplement avec une erreur négligeable L.Ot V _ 2.tvm2.cosa L
La célérité C des ondes peut être obtenue en calculant : C = tvm Le dispositif de mise en ceuvre comporte (Fig.9) un générateur de signaux impulsionnels G alimentant les deux transducteurs P1, P2, et un ensemble d'acquisition A
des signaux captés par ces mêmes transducteurs après leur propagation au sein de la veine fluide, qui est couplé à un ensemble de traitement T programmé pour effectuer en temps 2o réel les calculs d'intervalles de temps et de déphasages selon la méthode décrite. Des moyens de commutation (non représentés) permettent de connecter successivement chaque transducteur au générateur de signaux G pour l'émission d'impulsions et à
l'ensemble d'acquisition A, dès la fin de l'émission. 11 similarly for the spectrum GB (k), one thus obtains the spectra GOA (k) GOB (k) or spectra of reference For the actual measurement the procedure of 4.1 is applied between GA (k) and GOA (k) on the one hand and between GB (k) and GoB (k), which leads to the values of tiA
and tiB. We deduce tm = '/ 2 (TA + TB) + Tfl Since we are only interested in the spectral phases of a small number of points around the maximum of the module, the reference spectra may be limited to values of phases on these points.

4.4 Calculation of speed The flight times tvi and tv2 are obtained by calculating tvl = tvm + '/ 2 At and tv2 = tvm -1/2 At and we can apply the relation (1):

Lot V =
2.tv, .tv2.cosa or more simply with a negligible error Lot V _ 2.tvm2.cosa The The celerity C waves can be obtained by calculating: C = tvm The implementation device comprises (FIG. 9) a signal generator pulsed G feeding the two transducers P1, P2, and a set Acquisition A
signals captured by these same transducers after their propagation within in the vein fluid, which is coupled to a set of processing T programmed to perform in time 2o real calculations of time intervals and phase shifts according to the method described. of the switching means (not shown) can connect successively each transducer to the signal generator G for pulse emission and to all of acquisition A, from the end of the show.

12 L'ensemble de traitement T comporte de préférence un processeur de signal spécialisé tel qu'un DSP d'un type connu.

Le procédé proposé garde toutes ses performances si l'on change la nature du fluide et donc la fréquence d'émission : la fréquence d'échantillonnage Fe sera adaptée en conséquence.

On a décrit un mode de mise en oeuvre du procédé où les décalages de phase significatifs de la vitesse d'écoulement d'une veine fluide sont mesurés sur des impulsions émises simultanément depuis deux points, l'un situé en aval de l'autre relativement au sens d'écoulement, en direction de l'autre point. On ne sortirait pas du cadre de l'invention toutefois en adoptant tout autre dispositif d'émission-réception d'ondes avec des transducteurs disposés différemment par rapport à la veine fluide, éventuellement distincts pour l'émission et la réception, permettant de comparer ou cumuler des temps de vol d'impulsions se propageant dans le sens du courant et à contre-courant, qu'elles soient énûses simultanément ou successivement. 12 The processing unit T preferably comprises a signal processor specialty such as a DSP of a known type.

The proposed process keeps all its performances if one changes the nature of the fluid and therefore the frequency of emission: the sampling frequency Fe will be adapted in result.

An embodiment of the method where the phase offsets have been described significant of the flow velocity of a fluid vein are measured on impulses issued simultaneously from two points, one downstream from the other relatively to the meaning flow, towards the other point. We would not go beyond the invention However, by adopting any other device for transmitting and receiving waves with of the transducers arranged differently with respect to the fluid vein, possibly distinct for transmission and reception, to compare or accumulate times flight pulses propagating in the direction of the current and against the current, whether simultaneously or successively.

Claims

1. Method for determining the flow velocity of a fluid vein by comparison of the respective flight times (tv1, tv2) of pulses acoustic emitted and received respectively between spaced points along the vein fluid, depending on whether they propagate upstream or downstream relatively at flow direction, characterized in that the average time is measured as well as the difference between flight times by a determination of the spectrum of frequency associated with each pulse received and an accurate measurement of Relative phase shifts affecting pulse frequency spectra acoustics received, resulting from their flight time.

2. Method according to claim 1, characterized in that one transmits in each point a first acoustic pulse, one detects successively in this same point, a second acoustic pulse emitted from another point and an echo to this other point, the first acoustic impulse, one calculates the frequency spectra of the different pulses detected and determines the average of the flight times of the detected acoustic pulses as well as the gaps between their respective flight times.

3. Method according to claim 1, characterized in that one determines the average flight time from reference spectra calibrated from acoustic pulse spectra received.

4. Method according to claim 1, characterized in that one determines the difference between their respective flight times of the pulses acoustic received from their frequency spectra and a time difference obtained by calibration.

5. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises the transmission of acoustic pulses simultaneously from a first point along a fluid vein in the direction a second point downstream of the first point and vice versa since second point towards the first point and the pulses are detected received at both points in staggered fixed reception windows (W1, W2) of the same time interval compared to the common moments of emission of these pulses, the phase shift measured for each frequency spectrum depending on the position of the corresponding pulse received inside of the corresponding reception window.

6. Process according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a determination of each phase shift modulo 2.pi. to remove any uncertainty about the speed of the vein fluid.

7. Method according to claim 6, characterized in that it comprises a determination of the slope of the line representative of the variation of the phase as a function of flight time over a specified portion of the spectrum of pulse frequency.

8. Device for determining the flow velocity of a vein fluid, characterized in that it comprises at least two transmitting transducers-receivers arranged at distinct locations along a fluid vein, a pulse signal generator connected to the transducers, a set signal acquisition system for sampling and digitizing signals received transducers during a fixed acquisition window and a set of to determine phase delays affecting at least one serving of the frequency spectrum of each of the pulses received, consecutive to the variable flight time of acoustic pulses emitted.

9. Device according to claim 6, characterized in that the processing unit (P) comprises a signal processor programmed to determine the FFT frequency spectrum of each signal from a series samples acquired inside said window.